JP2023528824A - Tunable nanocircuit and waveguide systems and methods on optical fibers - Google Patents
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Abstract
本開示は、プラズモニクス及びENZ材料を用いた高度な光学応用のためのデバイス、システム、回路、及び効果的な方法を提供する。本開示は、光ファイバ先端ナノ回路における伝搬プラズモンの位相及び振幅の光学的調整能力、非線形光学効果、及び共振ネットワークの向上を提供し、インファイバ応用の調整可能なプラズモニック効果及びENZ効果を統合して、高速動作及び低消費電力を有する光ファイバを提供する。本発明は、光ファイバコアのファセット上にプラズモニック機能ナノ回路を効率的に結合させることができる。また、本発明は、ゲート調整可能なENZ材料を用いて、プラズモニックナノ回路を電気的及び非線形光学的に調整し、高度な光操作を実現することができる。本発明は、光ファイバナノ回路の位相及び振幅の変調のために、電圧調整されたENZ共振を効率的に統合し操作する。The present disclosure provides devices, systems, circuits, and effective methods for advanced optical applications using plasmonics and ENZ materials. The present disclosure provides optical tunability of propagating plasmon phase and amplitude, nonlinear optical effects, and enhanced resonant networks in fiber-tipped nanocircuits, integrating tunable plasmonic and ENZ effects for in-fiber applications to provide optical fibers with high speed operation and low power consumption. The present invention enables efficient coupling of plasmonic functional nanocircuits onto the facets of an optical fiber core. The present invention can also use gate-tunable ENZ materials to electrically and nonlinearly optically tune plasmonic nanocircuits to achieve advanced optical manipulations. The present invention efficiently integrates and manipulates voltage-tuned ENZ resonances for phase and amplitude modulation of fiber optic nanocircuits.
Description
連邦政府出資の研究開発に関するステートメント
該当なし
STATEMENT ON FEDERALLY SPONSORED RESEARCH AND DEVELOPMENT Not Applicable
参照
該当なし
Reference N/A
本開示は、一般的に光ファイバに関する。より具体的には、本開示は、光ファイバ及びプラズモニクス、並びに関連するデバイス、回路、及び方法に関する。 The present disclosure relates generally to optical fibers. More specifically, the present disclosure relates to optical fibers and plasmonics, and related devices, circuits, and methods.
光ファイバは、光を導き、操作する手段の代表例としてよく知られている。光ファイバは、長距離光通信、ファイバレーザを用いた光生成、リモート及び光センシング、内視鏡でのファイバイメージング、ファイバレーザ手術など、様々な応用で幅広く使用されている。計算及び通信技術を向上させるために光学技術の利用が増加した結果、異なる素子及び新規の化合物の組み合わせを含むデバイスの新しい革新的な作製及び統合が行われている。1つの分野では、プラズモニクスを利用して、電子回路の小型化を犠牲にすることなく光学速度を実現するという2つの目標を達成している。プラズモニクスでは、光及び電子の異なる特性、たとえば波動伝搬特性を利用して、粒子特性を重視した応用では不可能な効果を得ることができる。電子を励起してプラズモンを発生させる光の性質を利用したスイッチ及び他のタイプのデバイスなどのコンポーネントを開発することは、実用的なプラズモニック回路の作製に向けた重要なステップとなる。 Optical fibers are well known as a representative means of directing and manipulating light. Optical fibers are widely used in various applications such as long-distance optical communication, light generation with fiber lasers, remote and optical sensing, fiber imaging in endoscopes, and fiber laser surgery. The increased use of optical technology to improve computing and communication technology has resulted in new innovative fabrication and integration of devices involving combinations of different elements and novel chemical compounds. One area uses plasmonics to achieve the dual goal of achieving optical speed without sacrificing the miniaturization of electronic circuits. Plasmonics can take advantage of the different properties of light and electrons, such as wave propagation properties, to achieve effects that are not possible in particle-oriented applications. Developing components such as switches and other types of devices that take advantage of the property of light to excite electrons to generate plasmons is an important step towards making practical plasmonic circuits.
光信号の高速伝送及びデバイスの小型化が絶えず求められているため、オンチップ・フォトニックデバイス及び回路の開発が進められている。しかし、回折限界のため、誘電体フォトニックデバイスは、コンピュータのプロセッサに搭載される半導体コンポーネントと同等のサイズに縮小することはできない。一方、プロセッサ内の電子相互接続は、熱及び抵抗-容量(RC)遅延時間の問題から、速度に限界がある。シリコンフォトニックのような「フォトニック」アプローチは、フォトニクスが広帯域データ伝送、低消費電力、及びクロストークなしの通信を提供するため、チップ間及びオンチップ相互接続の有望な解決策の一つである。しかし、フォトニックデバイスのサイズが回折によって大きく制限されていることは障害となっており、つまり、寸法が波長の半分よりも小さい光導波路では光を導くことができず、ナノメートルスケールのフォトニック回路の開発が強く制限されている。 On-chip photonic devices and circuits are being developed due to the constant demand for high-speed transmission of optical signals and miniaturization of devices. However, due to the diffraction limit, dielectric photonic devices cannot be shrunk to sizes comparable to the semiconductor components found in computer processors. On the other hand, electronic interconnects within the processor are speed limited due to thermal and resistance-capacitance (RC) delay time issues. "Photonic" approaches, such as silicon photonics, are among the promising solutions for chip-to-chip and on-chip interconnections, as photonics offer high-bandwidth data transmission, low power consumption, and crosstalk-free communication. be. However, it is an obstacle that the size of photonic devices is severely limited by diffraction, i.e., optical waveguides with dimensions smaller than half the wavelength cannot guide light, and nanometer-scale photonics cannot Circuit development is severely restricted.
プラズモニクスは、高い光帯域幅を維持しながら回折限界よりも低い導光を実現して、ナノスケール光波処理の異なる解決策を提供する。表面プラズモンポラリトン(プラズモニック波)は、光の回折限界をはるかに下回るナノスケールの光閉じ込めで、金属と誘電体媒質との界面に沿って伝搬する電磁波である。プラズモニックストライプ、ウェッジ、スロット、又はナノワイヤ導波路、スプリッタ、及びマルチプレクサ、相互接続など、チップベースのプラズモニックシステムを構成するために、様々なプラズモニック導波路及びデバイスが実現されている。 Plasmonics offers a different approach to nanoscale lightwave processing, achieving sub-diffraction-limited light guidance while maintaining high optical bandwidth. Surface plasmon polaritons (plasmonic waves) are electromagnetic waves propagating along interfaces between metals and dielectric media in nanoscale optical confinement well below the diffraction limit of light. Various plasmonic waveguides and devices have been implemented to construct chip-based plasmonic systems, such as plasmonic stripe, wedge, slot or nanowire waveguides, splitters and multiplexers, interconnects.
しかしながら、フォトニック機能を維持しながら、回折限界導波路からの光をプラズモニックナノ構造又はナノ回路の高閉じ込めモードに結合させる簡単で効率的な手段は、現在まで存在しない。プラズモニックモードと光ファイバモードとの間の効率的な光結合を得るために、レンズ、プロセッサ、自由空間伝送、散乱光を用いた格子結合及びエンドファイヤ結合、散乱光の収集、並びに他のステップ及びコンポーネントを含むいくつかの試みが行われた。それらの方式は、高度なナノ加工及び光学的位置合わせを必要とし、本発明以前に実証されたシステムは、多機能性を示さない。さらに、外部の電気的/光学的変調によって個々のプラズモニック波の位相及び振幅を任意に制御するアクティブバージョンのプラズモニック回路は、まだ実現されていないマイルストーンのようである。 However, to date there is no simple and efficient means of coupling light from a diffraction-limited waveguide into highly confined modes of plasmonic nanostructures or nanocircuits while preserving photonic functionality. Lenses, processors, free-space transmission, grating and end-fire coupling with scattered light, collection of scattered light, and other steps to obtain efficient optical coupling between plasmonic and optical fiber modes. and several attempts involving components. Their schemes require advanced nanofabrication and optical alignment, and systems demonstrated prior to the present invention do not exhibit versatility. Furthermore, an active version of the plasmonic circuit, with arbitrary control of the phase and amplitude of individual plasmonic waves by external electrical/optical modulation, appears to be a milestone yet to be realized.
プラズモニック素子がファイバと直接相互作用できるように、光ファイバのファセットにプラズモニックコンポーネントを作製する試みがなされた。このような試みは、一般的に、プラズモニックモードをサポートするために、導波路又は回路ではなく、光ファイバの端部を金などの金属でコーティングする。プラズモニック素子は、ファイバ内の十分に導かれる空間モードパターンと直接相互作用することができる。回折格子、光ピンセット、及びプラズモニックセンサなどの小型の光学コンポーネントは、従来のファイバのファセット上の周期的な金属ナノ構造(すなわち、スリット、ホール、及びバー)で実現されている。しかし、これらのファイバ上のプラズモニックナノ構造は、伝搬しない局所的なプラズモンの励起に限定されており、プラズモニック光ファイバの潜在的な応用が制限されている。さらに、報告されたファイバ上のプラズモニック素子の多くが受動的であるため、作製後に光学機能を変更させることはできない。 Attempts have been made to fabricate plasmonic components in the facets of optical fibers so that the plasmonic elements can interact directly with the fibre. Such attempts generally coat the end of the optical fiber, rather than the waveguide or circuit, with a metal such as gold to support the plasmonic mode. A plasmonic element can directly interact with a well-guided spatial mode pattern in the fiber. Miniature optical components such as diffraction gratings, optical tweezers, and plasmonic sensors have been realized with periodic metallic nanostructures (ie, slits, holes, and bars) on the facets of conventional fibers. However, plasmonic nanostructures on these fibers are limited to the excitation of non-propagating local plasmons, limiting the potential applications of plasmonic optical fibers. Furthermore, many of the reported plasmonic on-fiber devices are passive, so their optical function cannot be altered after fabrication.
そのため、処理・伝送能力の向上及び新規の機能を実現するために、新しい材料及び新しいプラズモニックナノ構造を光ファイバに組み込むことが求められている。 Therefore, there is a need to incorporate new materials and new plasmonic nanostructures into optical fibers in order to improve processing and transmission capabilities and enable new functionalities.
本開示は、プラズモニクス及び新規のイプシロンニアゼロ(ENZ)屈折率材料ベースの光ファイバ応用を使用して高度な光学応用を設計するためのデバイス、回路を含むシステム、及び効果的な方法を提供する。本開示は、光ファイバ先端ナノ回路における伝搬プラズモンの位相及び振幅、非線形光学効果、及び共振ネットワークの光学的調整能力の向上を提供し、新規のインファイバ応用のために調整可能なプラズモニック効果及びENZ材料効果を統合する。プラズモニックナノ回路設計とENZ材料特性との光学的及び電気的機能性の統合は、高速動作及び低消費電力を有する光ファイバの機能性を拡張する。本発明では、集束イオンビーム及び電子ビームリソグラフィー技術などを用いて、光ファイバコアのファセット上にプラズモニック機能チップを直接に効率的に結合させることができる。また、本発明は、ゲート調整可能なENZ材料を用いて、プラズモニックナノ構造及び共振導波回路を電気的及び非線形光学的に調整して、高度な光操作を実現することができる。本発明は、オンファイバナノ回路における位相及び振幅の変調のために、電圧調整されたENZ共振を効率的に統合し操作する。プラズモニック構造の位相の柔軟性及び機能性により、フィルタ及び増幅器、直線偏光板、集束レンズ、効率的な光ファイバピンセットなどのインファイバ光学コンポーネントを向上させることができる。 The present disclosure provides devices, systems including circuits, and effective methods for designing advanced optical applications using plasmonics and novel epsilon near-zero (ENZ) refractive index material-based optical fiber applications. . The present disclosure provides improved optical tunability of propagating plasmon phases and amplitudes, nonlinear optical effects, and resonant networks in fiber-tipped nanocircuits, and tunable plasmonic effects and tunables for novel in-fiber applications. Integrate ENZ material effects. The integration of optical and electrical functionality with plasmonic nanocircuit design and ENZ material properties extends the functionality of optical fibers with high speed operation and low power consumption. The present invention allows efficient bonding of plasmonic function chips directly onto the facets of an optical fiber core using techniques such as focused ion beam and electron beam lithography. The present invention can also use gate-tunable ENZ materials to electrically and nonlinearly optically tune plasmonic nanostructures and resonant waveguide circuits to achieve advanced optical manipulations. The present invention efficiently integrates and manipulates voltage-tuned ENZ resonances for phase and amplitude modulation in on-fiber nanocircuits. The phase flexibility and functionality of plasmonic structures can enhance in-fiber optical components such as filters and amplifiers, linear polarizers, focusing lenses, and efficient fiber optic tweezers.
本開示はナノ回路デバイスを提供する。ナノ回路デバイスは、ファセットが形成された第1の光ファイバと、前記ファセット上に一体的に形成されたナノ回路とを備え、前記ナノ回路は、前記第1の光ファイバからの光エネルギーを前記ナノ回路におけるプラズモニックエネルギーと直接結合するように構成されたナノ結合器と、前記ナノ回路に形成され、前記ナノ結合器に結合され、前記ナノ回路におけるプラズモニックエネルギーを伝導するように構成された少なくとも1つの導波路とを備える。 The present disclosure provides nanocircuit devices. The nanocircuit device comprises a first optical fiber having a facet and a nanocircuit integrally formed on the facet, the nanocircuit directing light energy from the first optical fiber to the a nanocoupler configured to directly couple plasmonic energy in a nanocircuit; and a nanocoupler formed in said nanocircuit, coupled to said nanocoupler, and configured to conduct plasmonic energy in said nanocircuit. and at least one waveguide.
さらに、本開示はナノ回路デバイスの製造方法を提供する。方法は、ファセットが形成された光ファイバを提供することと、ファセット上に金属層を堆積させることと、ファセット上の金属層に溝をミリングし、導波路を形成するように構成することと、ファセット上の金属層にナノ結合器をミリングし、光ファイバからの光エネルギーと導波路内のプラズモンエネルギーとを直接結合するよう構成されること、とを含む。 Additionally, the present disclosure provides methods of fabricating nanocircuit devices. The method comprises providing a faceted optical fiber, depositing a metal layer on the facet, milling grooves in the metal layer on the facet and configured to form a waveguide; milling a nanocoupler into the metal layer on the facet and configured to directly couple optical energy from the optical fiber and plasmon energy in the waveguide.
特許又は出願のファイルには、少なくとも1つのカラー図面が含まれる。この特許又は特許出願公開のカラー図面の写しは、請求及び必要な手数料の支払によって、国内官庁から提供される。 The patent or application file contains at least one drawing executed in color. Copies of this patent or patent application publication with color drawing(s) will be provided by the Office upon request and payment of the necessary fee.
上記の図及び以下の具体的な構造及び機能に関する説明は、出願人が発明した範囲又は添付の請求項の範囲を制限するために提示されたものではない。むしろ、図及び書面の説明は、特許保護を求める発明を製造及び使用することを当業者に教示するために提供されるものである。当業者は、明瞭さと理解のために、本発明の商業的な実施形態のすべての特徴が説明又は示されているわけではないことを理解するであろう。本技術分野の当業者は、本開示の態様を組み込んだ実際の商業的実施形態の開発が、商業的実施形態に対する開発者の最終目標を達成するために、多数の実装特有の決定を必要とすることも理解するであろう。そのような実装固有の決定は、システム関連、ビジネス関連、政府関連、及び他の制約を遵守することを含み、おそらくこれらに限定されないが、これらは特定の実装又は場所によって、又は時間によって変化し得るものである。開発者の努力は、絶対的な意味で複雑で時間がかかるかもしれないが、そのような努力は、それでも、この開示の利益を有するこの技術分野の通常の当業者にとっては、日常的な仕事であるだろう。本明細書に開示され教示された発明は、多数の様々な修正及び代替形態に影響を受け得ることを理解しなければならない。限定されないが、「a」のような単数形の用語の使用は、品目の数を限定することを意図していない。さらに、本システムの様々な方法及び実施形態は、開示された方法及び実施形態のバリエーションを生成するために、互いに組み合わせて含まれることが可能である。単数形の要素の議論は、複数形の要素を含むことができ、その逆もまた可能である。少なくとも1つの項目への言及は、1つ又は複数の項目を含むことができる。また、実施形態の様々な態様は、本開示の理解された目標を達成するために、互いに組み合わせて使用され得る。文脈が他に要求しない限り、用語「備える(comprise)」又は「備えている(comprising)」などの変形は、少なくとも記載された要素もしくはステップ又は要素もしくはステップのグループ又はその等価物を含むことを意味し、より大きな数値量又は他の要素又はステップ又は要素もしくはステップのグループ又はその等価物を除外しないものと理解されるべきである。「結合」、「カップリング」、「結合器」等の用語は、本明細書において広範に使用され、固定、結合、締結、取り付け、接合、そこに挿入、その上又はその中に形成、通信、又はその他の方法で関連付けるための任意の方法又は装置、例えば機械的、磁気的、電気的、化学的、作動的に、直接又は中間要素と共に、1個又は複数の部材の部分を一緒に結合し、さらに限定的ではないが、ある機能部材と他のものを一体的に形成することも含む場合がある。結合は、回転を含む任意の方向で発生してもよい。装置又はシステムは、多数の方向及び向きで使用されてもよい。ステップの順序は、特に限定されない限り、様々な順序で発生することができる。本明細書に記載された様々なステップは、他のステップと組み合わせることができ、記載されたステップを間に挟むことができ、及び/又は複数のステップに分割することができる。いくつかの要素は、簡略化のために装置名で指名され、プロセッサが当業者に知られている関連する構成要素の処理システムを包含するようなシステム又はセクションを含むと理解されるであろうし、具体的に記載されないかもしれない。様々な機能を実行し、形状、サイズ、説明において非限定的であるが、本明細書に含まれる教示を与えられた当業者に知られるように変化させることができる例示的構造として役立つ様々な例が、説明及び図において提供される。 The above figures and the following descriptions of specific structures and functions are not provided to limit the scope of applicant's invention or the scope of the appended claims. Rather, the figures and written description are provided to teach one of ordinary skill in the art to make and use the invention for which patent protection is sought. Those skilled in the art will appreciate that not all features of a commercial embodiment of the invention have been described or shown for the sake of clarity and understanding. Those skilled in the art will appreciate that the development of an actual commercial embodiment incorporating aspects of the present disclosure requires numerous implementation-specific decisions in order to achieve the developer's ultimate goal for the commercial embodiment. You will also understand that Such implementation-specific decisions may include, but are not limited to, compliance with system-related, business-related, government-related, and other constraints, which may vary by particular implementation or location, or over time. It is what you get. Although the developer effort may be in the absolute sense complex and time consuming, such effort is nevertheless a routine undertaking for those of ordinary skill in the art having the benefit of this disclosure. would be It should be understood that the inventions disclosed and taught herein are susceptible to numerous and various modifications and alternative forms. The use of singular terms such as, but not limited to, "a" is not intended to limit the number of items. Moreover, various methods and embodiments of the system can be included in combination with each other to produce variations of the disclosed methods and embodiments. Discussion of singular elements may include plural elements and vice versa. A reference to at least one item may include one or more items. Also, various aspects of the embodiments may be used in combination with each other to achieve the perceived goals of the present disclosure. Unless the context requires otherwise, the terms "comprise" or variations such as "comprising" are intended to include at least the recited element or step or group of elements or steps or equivalents thereof. means and does not exclude larger numerical quantities or other elements or steps or groups of elements or steps or their equivalents. Terms such as "coupling", "coupling", "coupler" are used broadly herein to secure, couple, fasten, attach, join, insert therein, form on or in, communicate with. , or any method or device for otherwise associating, e.g., mechanically, magnetically, electrically, chemically, operatively, directly or with intermediate elements, joining together portions of one or more members and may include, but is not limited to, integrally forming one functional member with another. Coupling may occur in any orientation, including rotation. A device or system may be used in multiple directions and orientations. The order of steps can occur in various orders, unless otherwise specified. Various steps described herein may be combined with other steps, interleaved with described steps, and/or divided into multiple steps. Some elements are named by device name for brevity and will be understood to include systems or sections such that the processor encompasses related component processing systems known to those skilled in the art. , may not be specified. Various structures that perform various functions and are non-limiting in shape, size and description, but serve as exemplary structures that can be varied as would be known to one of ordinary skill in the art given the teachings contained herein. Examples are provided in the description and figures.
一般に、本開示は、プラズモニクスを用いた高度な光学応用及び新規のENZ材料ベースの光ファイバ応用を設計するための効果的な方法を提供する。本発明は、少なくとも1つの態様において、高度な光操作及び通信のために、光ファイバ先端に光電子調整可能なプラズモニックナノ回路及びデバイスを統合するものである。本発明は、集束イオンビーム及び電子ビームリソグラフィー技術を含む様々な技術によって、光ファイバコアのファセット上に直接プラズモニック機能チップを効率的に結合することができる。また、ゲート調整可能なENZ材料を用いて、プラズモニックナノ構造及び共振導波回路を電気的及び非線形光学的に調整し、高度な光操作を可能にすることができる。 In general, the present disclosure provides effective methods for designing advanced optical applications using plasmonics and novel ENZ material-based optical fiber applications. The present invention, in at least one aspect, integrates opto-electronically tunable plasmonic nanocircuits and devices onto optical fiber tips for advanced optical manipulation and communications. The present invention enables efficient bonding of plasmonic function chips directly onto the facets of an optical fiber core by a variety of techniques, including focused ion beam and electron beam lithography techniques. Gating-tunable ENZ materials can also be used to electrically and nonlinearly optically tune plasmonic nanostructures and resonant waveguide circuits to enable advanced optical manipulation.
本発明では、光操作のためにプラズモニックナノ回路を有する光ファイバ先端を製造することができる。しかし、以前に報告された既知のプラズモニック構造は、局所的なプラズモニクスの励起に限られているため、プラズモニック波の操作のための能力が制限され、結果としてナノ構造増強型のプラズモニック光ファイバの機能性が制限されている。本発明は、プラズモニック光ファイバの機能を高度化するための調整能力を有する高性能のプラズモニックナノ回路を提供することができる。 In the present invention, optical fiber tips can be fabricated with plasmonic nanocircuits for light manipulation. However, previously reported known plasmonic structures are limited to local plasmonics excitation, which limits their capabilities for manipulation of plasmonic waves, resulting in nanostructure-enhanced plasmonic light. Fiber functionality is limited. The present invention can provide high performance plasmonic nanocircuits with tunability to enhance the functionality of plasmonic optical fibers.
図1は、本発明によるナノ回路システムの一実施形態の概略図である。図1は、ファセット8を有するコア6を少なくとも1つ有する光ファイバ4を有するナノ回路システム2を示している。ナノ回路10は、光ファイバファセット8上に形成されるため、ファセットと結合するために光ファイバと一体になり、光ファイバ4はナノ回路に入力エネルギーを提供する。少なくともいくつかの実施形態では、他の光ファイバ12がナノ回路に結合されて、ナノ回路からエネルギーを受け取り、光ファイバ12における1つ以上の出力ポート14を通してエネルギーを放出する。例示的なナノ回路10A~10Fは、ナノ回路10の拡大図に示されている。限定されないが、そのような例は、変調器/導波器10A、光分配器10B、方向性結合器/逆多重器10C、導波共振器/ルータ10D、偏波結合器10E、及び複合構造10Fを含むことができる。本開示は、光スイッチング、多重化/逆多重化、方向性結合、ルーティング、及び共振/センシング効果などの機能を提供することができる調整可能なナノ回路を提供する。本明細書において、「ナノ」という用語は、1000nmまで、より詳細には数百nmまでの個々のデバイスを含むことを意味する。これらの調整可能なナノ回路光ファイバ先端は、新規の通信及び光学的及び/又は生物学的センシングデバイスをもたらすことができる。本開示は、ギャッププラズモニック導波路、マルチチャネルプラズモニック導波路、プラズモニック方向性結合器、及び共振導波ネットワークなど、複雑なプラズモニックナノ回路を、光ファイバのファセットであるファセット上に直接提供するものである。ナノ回路は、例えば集束イオンビームミリング及び電子ビームリソグラフィー技術を使用して、ファセット上に製造することができる。ファセット上の材料の堆積は、原子層堆積(ALD)技術を使用して、プラズモニックナノ回路のための、例えば透明導電性酸化物(TCO)又は金属窒化物イプシロンニアゼロ(ENZ)材料を堆積させることを含み得る。ENZ材料を使用して、光ファイバ回路でゲート調整可能なENZモードを効率的に励起することができる。電気バイアスは、多機能性を達成するために、ファイバ上のプラズモニック/ENZナノ構造を能動的に制御することができる。本開示はまた、効率的な非線形光スイッチング及び操作のために増強されたENZ非線形性の特徴を利用してプラズモニック/ENZハイブリッド回路を制御することを提供する。本発明は、電子的及び光学的スイッチング機能を利用して、光ネットワーク、並びに光ファイバ先端に統合されるルーティング及び機能デバイスを設計することができる。さらに、本開示は、プラズモニック/ENZナノ回路を有する導電性酸化物/金属窒化物活性層において、ENZモードでエミッタ/分子を励起することによって、量子及びラマン放出効果を高めることを提供する。本開示で教示される基礎原理の結果は、いくつかの非限定的な例で示すことができる。
FIG. 1 is a schematic diagram of one embodiment of a nanocircuit system according to the present invention. FIG. 1 shows a
この最適化された構成により、嵩張る光学コンポーネントを必要とせず、光ファイバからプラズモニックナノ回路への直接結合が提供される。この能力により、チップ-チップ構成、さらにはファイバ-チップ構成の必要性が低減し、これらの集積回路をファイバファセット上に直接結合する方向へ進む。本開示は、ファイバ先端上のプラズモニックナノ回路で構成される小型のインファイバデバイスを提供する。これらのデバイスは、フォトニック集積回路(PIC)(「集積型光回路」とも呼ばれる)の複雑さを潜在的に低減し、プラズモニックナノ回路内の信号処理のためのナノ回路への光結合及びナノ回路からの光結合を可能にする独立型光学システムを提供する。本明細書で提供される実施形態は、回路のパターニングがどのようにファイバ上の小型の光回路を組み込むかを例示するために、光ファイバの先端上のユニークなプラズモニックネットワークのためのファイバファセットにおける作製技術を示している。 This optimized configuration provides direct coupling from optical fibers to plasmonic nanocircuits without the need for bulky optical components. This capability reduces the need for chip-to-chip and even fiber-to-chip configurations and moves toward coupling these integrated circuits directly onto fiber facets. The present disclosure provides miniature in-fiber devices composed of plasmonic nanocircuits on fiber tips. These devices potentially reduce the complexity of photonic integrated circuits (PICs) (also called “integrated optical circuits”), optical coupling to nanocircuits for signal processing within plasmonic nanocircuits, and A stand-alone optical system is provided that enables optical coupling from nanocircuits. Embodiments provided herein provide fiber facets for unique plasmonic networks on the tip of an optical fiber to illustrate how circuit patterning incorporates miniature optical circuits on fiber. shows the fabrication technology in
図2は、光ファイバのファセット(本明細書では、「先端」とも称する)上に集積型ナノ回路を作成するための作製プロセスの概略図である。例えば、偏波保持フォトニック結晶ファイバ(PCF)及びパンダ型(PS)光ファイバ4は、これらのナノ回路に使用することができる。最初にファセット8を劈開し、金層のような厚さが約200nmの金属層などの導電層16を、10-3トルのチャンバ圧力を有するRFマグネトロンスパッタリング機又は熱蒸発技術を用いてファイバのファセット上に堆積させることができる。ナノ回路10のさらなる加工及び作製のために、金が堆積されたファイバ4を、デュアルビーム集束イオンビーム走査電子顕微鏡(FIB-SEM)又は他の適切な加工システム18に持ち込むことができる。ファイバは、ファイバの先端が断面上で平らになり、ファイバが傾かないように、垂直にホルダに取り付けることができる。ファイバファセットは、ファイバのコアの中心が選択された設計パターンに相関するように配置することができる。
FIG. 2 is a schematic illustration of a fabrication process for creating integrated nanocircuits on the facet (also referred to herein as the “tip”) of an optical fiber. For example, polarization-maintaining photonic crystal fibers (PCF) and Panda-type (PS)
ナノ回路は、例えば、従来のパンダ型偏波保持光ファイバにパターニングすることができる。このファイバは、高屈折率材料の2つの大きなローブが、中実のコアの両側を取り囲んでいる。また、偏波保持型PCF(PM-PCF)を含むフォトニック結晶ファイバ(PCF)もその一例である。光ファイバは、集束イオンビーム(FIB)によりミリングすることができる。電子ビームリソグラフィーは、小さな特徴サイズ(例えば、<100nm)のナノ構造を作製するために使用することもできる。FIB内のGa+イオン流は、光ファイバ上のナノ構造を直接ミリングするために使用することができる。30kVの印加電圧及び10pAのイオンビーム電流は、作製プロセスに使用することができる。 Nanocircuits can be patterned, for example, in conventional Panda-type polarization-maintaining optical fibers. This fiber has two large lobes of high index material surrounding a solid core on either side. Photonic crystal fibers (PCFs), including polarization-maintaining PCFs (PM-PCFs), are also examples. Optical fibers can be milled with a focused ion beam (FIB). E-beam lithography can also be used to fabricate nanostructures with small feature sizes (eg, <100 nm). Ga+ ion currents in FIBs can be used to directly mill nanostructures on optical fibers. An applied voltage of 30 kV and an ion beam current of 10 pA can be used for the fabrication process.
図3A~3Cは、光ファイバモードとプラズモニックスロット導波路モードとをアンテナで効率的に結合するための概略図及び電子顕微鏡写真を示す図である。図3Aは、スロットプラズモニック導波路を有する例示的な光ファイバナノ回路の概略図である。図3Bは、光ファイバモードをプラズモニックスロット導波路モードに結合させるための例示的なアンテナの概略図である。図3Cは、スロット内の光の電界成分を示している、図3Aに示したプラズモニックスロット導波路モードの垂直プロファイルの概略図である。導電層16をミリングして、層内にスロット20を形成することができる。図3Bに示されるアンテナ22は、電磁信号を光として光ファイバを通してプラズモニックスロット導波路に効率的に結合し、狭い指向性を達成するために使用され得る。図示しないが、プラズモニック格子結合器、プラズモニック導波路テーパ、及びナノ粒子結合器など、他のナノ結合器を用いることもできる。アンテナは、高い効率でモードを変換することができる。ボウタイアンテナは10%の結合効率を有することが示されている。八木・宇田アンテナは、45%の結合効率と、スロット導波路から空気及び基板への60%の放射効率を有することが示されており、本明細書の例示的なナノ回路に一般的に使用されている。製作された八木・宇田アンテナの相対的な寸法は、図3Bから見ることができ、2つのダイポールアンテナコンポーネント間のギャップ及び導波路の幅は、それぞれ80nm及び300nmという意図した設計に近い。このアンテナ結合により、従来の複雑なプリズム結合を行うことなく、前方伝搬コアモードをプラズモニックナノ構造に直接結合させることができる。空気及びシリカからのシリカで覆われたAu導波路の結合効率は、それぞれ15%及び45%であり得る。このようなアンテナのコンポーネントは、それぞれが給電素子を介してプラズモニック導波路スロットに接続されている2つのダイポールアンテナを含む。ダイポールアンテナの背面には受動素子の反射板があり、導波路への給電メカニズムがさらに向上される。アンテナの長さは、アンテナが1550nmで最大の結合効率を有するように選択することができる。少なくとも1つの実施形態では、ファイバのコア領域の近くにナノ回路を作製することによって、ファイバのコア光をプラズモニックスロット導波路に結合させることができる。対称結合のために、厚さが400nmなどの厚いシリカガラス層22を構造体の上に堆積させる。
3A-3C are schematic diagrams and electron micrographs for efficiently coupling an optical fiber mode and a plasmonic slot waveguide mode with an antenna. FIG. 3A is a schematic diagram of an exemplary fiber optic nanocircuit with slot plasmonic waveguides. FIG. 3B is a schematic diagram of an exemplary antenna for coupling an optical fiber mode to a plasmonic slot waveguide mode. FIG. 3C is a schematic diagram of the vertical profile of the plasmonic slot waveguide mode shown in FIG. 3A showing the electric field component of the light within the slot.
その後、遠視野測定装置でサンプルを測定することができる。測定された光学像は、出力アンテナからの放射光のかなりの量の検出を示している。これは、図3Cに示すプラズモニックスロット導波路における表面プラズモンポラリトン(SPP)導波モードの良好な結合及び伝搬を意味している。 The sample can then be measured with a far-field measuring device. The measured optical image shows detection of a significant amount of emitted light from the output antenna. This implies good coupling and propagation of surface plasmon polariton (SPP) guided modes in the plasmonic slot waveguide shown in FIG. 3C.
図4Aは、光学ファセット上の例示的なプラズモニックスロット導波路ナノ回路のSEM像である。図4Bは、図4Aの導波路の拡大SEM像である。図4Cは、光学ファセット上の他の例示的なプラズモニックスロット導波路のSEM像である。図4Dは、図4Cの導波路の拡大SEM像である。図4A~4Dは、ファセット8上の導波路ナノ回路10Aを示し、例として、従来の偏波保持(PM)光ファイバ4上又はPMフォトニック結晶ファイバ上に形成することができる。90°曲げは、放射アンテナの導波路モード偏波を変えるために使用されるため、所望の出力信号の信号対雑音比が良好な交差偏波遠視野イメージングを可能にする(前方伝搬入射光を抑制する)。PCFは、ナノ加工時及び光学測定時にプラズモニック導波路/アンテナの位置合わせを確保するために使用される。遠視野測定により、コアモードからの光がプラズモニック導波路モードと効率的に結合でき、面内プラズモニックモードが直交出力偏波で放射アンテナ内を伝搬し放射できることは示されている。アンテナ方向と直交する入力コア偏波の場合、放射アンテナから放射される光がほとんど又は全くないため、プラズモニックモードと目的の偏波状態との結合が示されている。従来のシングルモードファイバ及びフォトニック結晶ファイバの一般的なコア径は約4~6μmで、八木・宇田アンテナのサイズは約1μmである。コアモード領域全体を効率的に利用するために、本発明では、複数の入力アンテナを有する複数の複雑な構造を含むことができる。複数の入力を有する洗練されたナノ構造により、プラズモニックナノ回路への総結合効率を大幅に向上させることができる。
FIG. 4A is an SEM image of an exemplary plasmonic slot waveguide nanocircuit on an optical facet. FIG. 4B is an enlarged SEM image of the waveguide of FIG. 4A. FIG. 4C is an SEM image of another exemplary plasmonic slot waveguide on an optical facet. FIG. 4D is an enlarged SEM image of the waveguide of FIG. 4C. 4A-4D show waveguide nanocircuits 10A on
図5A~5Dは、波長1550nm及び1630nmでのプラズモニックスロット導波路ナノ回路における入射光の例示的なNIR光学カメラ画像及び関連する応答を示す図である。図5Aは、導波路ナノ回路の光学像及びSEM像の重ね合わせ図である。図5Bは、導波路及び波長1550nmにおける出力のSEM像である。図5Cは、導波路及び波長1630nmにおける出力のSEM像である。図5Dは、1500~1630nmの波長範囲における単一の導波路の例示的な結合効率を示すチャートである。図5Aにおいて、例示的な単一の導波路10Aは、入力ポート32において入力アンテナ26からの光を結合して、出力ポート34において出力アンテナ28からの光をコアの外側のクラッドで放射する。図5Bにおいて、1550nmでは、出力光は入力光よりも明るい。図5Cにおいて、1630nmでは、入力光は出力光よりも明るい。ファセットの近赤外線(NIR)画像は、1500~1630nmの範囲で5nmの刻み幅で記録される。そして、結合出力アンテナのこれらの画像は、同じ入力レーザパワーで同様の長さのブランクPSファイバの画像に正規化される。この正規化されたデータは、図5Dに示すように、1500~1630nmの波長範囲における単一の導波路の結合効率を示す。この結果は、例示した単一の導波路の総効率(入出力結合、曲げ損失、伝搬損失を含む)が、1500~1630nmの波長範囲で約0.2%であると測定されることを示している。
5A-5D show exemplary NIR optical camera images and associated responses of incident light in a plasmonic slot waveguide nanocircuit at
図6A~6Iは、フォトニック結晶ファイバ及びPM-PCFファイバ上に作製された例示的なプラズモニックマルチチャネル導波路構造を示す図である。図6Aは、フォトニック結晶ファイバの光ファイバファセット8上のマルチチャネル導波路ナノ回路のSEM像である。図6Bは、4つの出力信号を示す、測定された遠視野光学像である。図6Cは、光ファイバのコア及び出力領域付近の画像である。この例は、4つの同一の入力アンテナ26と、異なる長さ(15、12、9、6μm)を有する4つの個別の導波路30とを有するナノ回路10Aを示している。測定された光学像は、図6B及び図6Cに示すように、光ファイバコアモードが、4つの個別のプラズモニック導波路に結合され、分配され、最も短い導波路が最も高い出力強度を有し、導波路の長さが長くなるにつれて強度が徐々に低下することは示されている。測定されたプラズモニック導波路の損失は、波長1550nmで約0.45dB/μmである(異なる導波路の長さでの透過スペクトル測定による)。八木・宇田アンテナは、パラメータ(長さ、幅、ギャップのサイズなど)を設計することで、結合効率を最大にすることができる。全波電磁3次元シミュレーションは、6μmのコアモードからスロット幅300nmの単一のプラズモニック導波路まで(最適化されていないアンテナの場合)約6%の結合効率が達成できることを示している。例えば、4つ又は5つの入力アンテナを統合することで、約30%の結合効率が得られ、アンテナ及びコアの形状を最適化することで50%を超える結合効率を得る可能性があり、光ファイバ先端上の効率的なプラズモニックシステムが得られる。
6A-6I illustrate exemplary plasmonic multi-channel waveguide structures fabricated on photonic crystal fiber and PM-PCF fiber. FIG. 6A is an SEM image of a multi-channel waveguide nanocircuit on a
図6Gは、偏波保持フォトニック結晶ファイバ(PM-PCF)上に形成された、図6Aの回路と同様のマルチチャネル導波路ナノ回路のSEM像である。図6Hは、図6Gのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像である。図6Iは、図6Hのマルチチャネル導波路ナノ回路の拡大SEM像であり、光ファイバのコア付近の入力アンテナを示している。追加の実施形態は、複数の光ファイバ上に形成する能力を実証している。 FIG. 6G is an SEM image of a multi-channel waveguide nanocircuit similar to that of FIG. 6A formed on a polarization-maintaining photonic crystal fiber (PM-PCF). FIG. 6H is an enlarged SEM image of the multi-channel waveguide nanocircuit of FIG. 6G. FIG. 6I is a magnified SEM image of the multichannel waveguide nanocircuit of FIG. 6H showing the input antenna near the core of the optical fiber. Additional embodiments demonstrate the ability to form on multiple optical fibers.
図7A~7Eは、PM光ファイバ上に作製された複数の出力チャネルを有する例示的なプラズモニック方向性結合器ナノ回路を示す。図7Aは、集積型方向性結合器ナノ回路が作製される前の光ファイバファセットのSEM像である。図7Bは、例示的なプラズモニック方向性結合器が作製された後の光ファイバファセットの拡大図である。図7Cは、図7Bのプラズモニック方向性結合器のさらに拡大した図である。図7Dは、1550nmにおける2つの出力を示す、測定された遠視野光学像である。図7Eは、1630nmにおける2つの出力を示す、測定された遠視野光学像である。本明細書の教示は、プラズモニック方向性結合器ナノ回路10Cを作成するために使用することができる。一例として、プラズモニック方向性結合器は、図7A及び7BのSEM像に示されるパンダ型のPM光ファイバ4のファセット8上に作成することができる。本発明は、このようなプラズモニック方向性結合器を用いて、光スイッチング特性を提供する。プラズモニック方向性結合器は、2つの隣接する導波路30A及び30Bを含み、1つの単一の導波路が、各導波路の水平部分に沿って他の導波路と平行に延びる。(図7A及び7Bでは、クラッド内の「パンダ」構造を識別しやすくするために円形リングをエッチングすることで、交差偏波遠視野検出用のPMファイバの遅軸/速軸に従って構造を作製できる。)この例では、2つのスロット導波路30A及び30Bは、幅が300nm、導波路間の距離が80nm、結合長が3μmである。入力アンテナ26A及び出力アンテナ28Aにおける八木・宇田アンテナは、単一スロット導波路30Aに合わせて、長さが22μm(水平部分)、出力アンテナに接続される垂直スロット導波路の部分が6μmである。入力からの波長と平行に延びる他方のスロット導波路30Bは、エバネッセント場の結合が観測される水平長さが10μmである。追加スロット導波路の両端は、900曲げ及び垂直導波路の後、出力アンテナ28Bに合わせることができる。一方の導波路のパワーは、他方の導波路にエバネッセント的に往復して結合することができる。例えば、2つの平行に延びる導波路を分離する薄い金属膜の厚さは、50~100nmの範囲とすることができる。結合長及び動作波長(2つの導波路の結合係数に影響する)により、光パワーは異なる導波路出力間で切り替わるか、又は2つの導波路に均等に分配される。光はコアを通して結合され、動作波長に応じて出力ポートO1又は出力ポートO2から放出することができる。入射光の偏波状態は、入力アンテナの向きと一致しており、前述したように、スロット導波路におけるSPPモードの結合を効果的に支援する。
Figures 7A-7E show exemplary plasmonic directional coupler nanocircuits with multiple output channels fabricated on PM optical fibers. FIG. 7A is an SEM image of an optical fiber facet before fabrication of an integrated directional coupler nanocircuit. FIG. 7B is a magnified view of an optical fiber facet after an exemplary plasmonic directional coupler has been fabricated. FIG. 7C is a further enlarged view of the plasmonic directional coupler of FIG. 7B. FIG. 7D is a measured far-field optical image showing two outputs at 1550 nm. FIG. 7E is a measured far-field optical image showing two outputs at 1630 nm. The teachings herein can be used to create a plasmonic
シミュレーションは、少なくとも1つの実施形態において、導波路30Aから導波路30Bへの550%の放出比が達成され得ることを示している。結果は、光がプラズモニック方向性結合器に結合し、図7Dに示すように、波長1550nmで出力ポートO1及びO2から等しく放出され得ることを示している。波長1630nmでは、図7Eに示すように、より多くの光が出力ポートO2を通して放出され、初期の方向性結合特性とその結果のスイッチング特性が示されている。分離長及び結合長を変化させることで、さらなる最適化を行うことができる。
Simulations show that, in at least one embodiment, a 550% emission ratio from
図7Fは、他の例示的な集積型方向性結合器ナノ回路を有するパンダ型(PS)光ファイバファセットのSEM像である。図7Gは、図7Fの例示的なプラズモニック方向性結合器の波長1630nmにおける遠視野測定の重ね合わせ画像である。図7Hは、光学フィルタなしのスーパーコンティニューム(SC)光源レーザを用いた図7Fのプラズモニック方向性結合器の遠視野像である。図7Iは、入射光に対して交差偏波で検出された波長1480nmにおける測定された遠視野光学像である。図7Jは、入射光に対して交差偏波で検出された波長1550nmにおける測定された遠視野光学像である。図7Kは、入射光に対して交差偏波で検出された波長1650nmにおける測定された遠視野光学像である。CWスーパーコンティニューム(SC)レーザ及びバンドパスフィルタが、ナノ回路の遠視野測定に利用される。図7Gは、遠視野光学測定像とSEM像とを重ねた画像であり、出力の結合が明確に示されている。図7Hは、フィルタを使用せず、導波路上のすべてのアンテナに光を伝導する場合のSC光源との出力アンテナでの明確な結合を示している。図7Iは、波長1480nm、帯域幅±10nmのバンドパスフィルタを用いた場合の遠視野測定である。この測定では、出力ポートO2(O2=バー出力、強度Ibar)と比較して出力ポートO1(O1=クロス出力、強度lcross)の強度が高いことを示している。図7Jは、1550nmにおける2つの出力ポートO1、O2の強度がほぼ等しいことを示している。図7Kは、1650nmにおける出力ポートO2の強度がより高いことを示している。したがって、図7Jは、図7Iと図7Kとの間のパワーカップリングを示している。 FIG. 7F is an SEM image of a panda-type (PS) fiber optic facet with another exemplary integrated directional coupler nanocircuit. FIG. 7G is a superimposed image of far-field measurements at a wavelength of 1630 nm for the exemplary plasmonic directional coupler of FIG. 7F. FIG. 7H is a far-field image of the plasmonic directional coupler of FIG. 7F using a supercontinuum (SC) source laser without optical filters. FIG. 7I is a measured far-field optical image at a wavelength of 1480 nm detected with cross-polarization to the incident light. FIG. 7J is a measured far-field optical image at a wavelength of 1550 nm detected with cross-polarization to the incident light. FIG. 7K is a measured far-field optical image at a wavelength of 1650 nm detected with cross-polarization to the incident light. A CW supercontinuum (SC) laser and bandpass filters are utilized for far-field measurements of nanocircuits. FIG. 7G is a superimposed image of the far-field optical measurement image and the SEM image, clearly showing the coupling of the outputs. FIG. 7H shows clear coupling at the output antenna with the SC light source when no filters are used and light is conducted to all antennas on the waveguide. FIG. 7I is a far-field measurement using a bandpass filter with a wavelength of 1480 nm and a bandwidth of ±10 nm. This measurement shows a higher intensity at output port O1 (O1=cross output, intensity lcross) compared to output port O2 (O2=bar output, intensity Ibar). FIG. 7J shows that the intensities of the two output ports O1, O2 at 1550 nm are approximately equal. FIG. 7K shows higher intensity at output port O2 at 1650 nm. FIG. 7J thus shows the power coupling between FIGS. 7I and 7K.
他の図に示される実施形態は、予言的な実施形態を表す。図8A~8Fは、偏波スプリッタナノ回路の形態の他のナノ回路を示している。図8Aは、例示的な偏波スプリッタのSEM像である。図8Bは、図8Aの偏波スプリッタの入力アンテナの拡大SEM像である。図8Cは、図8Aの偏波スプリッタの測定された遠視野光学鏡像であり、水平に配列した入力アンテナを有する導波路を通して伝送される水平入射偏波を示している。図8Dは、図8Aの偏波スプリッタの測定された遠視野光学鏡像であり、垂直に配列した入力アンテナを有する導波路を通して伝送される垂直入射偏波を示している。図8Eは、図8Aの偏波スプリッタに示された各導波路について、水平偏波入力及び垂直偏波入力を有するそれぞれの水平又は垂直配列に応じた伝送強度を示すチャートである。図8Fは、図8Aの偏波スプリッタに示された各導波路について、水平面又は垂直面にない回転偏波入力を有するそれぞれの水平又は垂直配列に応じた伝送強度を示すチャートである。 Embodiments shown in other figures represent prophetic embodiments. Figures 8A-8F show other nanocircuits in the form of polarization splitter nanocircuits. FIG. 8A is an SEM image of an exemplary polarization splitter. FIG. 8B is an enlarged SEM image of the input antenna of the polarization splitter of FIG. 8A. FIG. 8C is a measured far-field optical mirror image of the polarization splitter of FIG. 8A, showing horizontal incident polarization transmitted through a waveguide with a horizontally aligned input antenna. FIG. 8D is a measured far-field optical mirror image of the polarization splitter of FIG. 8A, showing vertically incident polarization transmitted through a waveguide with a vertically aligned input antenna. FIG. 8E is a chart showing the transmission strength as a function of each horizontal or vertical arrangement with horizontal and vertical polarization inputs for each waveguide shown in the polarization splitter of FIG. 8A. FIG. 8F is a chart showing the transmitted power as a function of each horizontal or vertical alignment with a rotationally polarized input that is not in the horizontal or vertical plane for each waveguide shown in the polarization splitter of FIG. 8A.
偏波スプリッタ10Dは、コアモードの偏波状態でファイバ上のナノ回路の出力信号を切り替える能力を可能にする。図8Aの実施形態及び図8Bで拡大された実施形態は、入力アンテナ26A~26D(一般に、26)を、ファイバコアと軸方向に位置合わせすることができる。入力アンテナ26は、SEM像において水平及び垂直に、すなわち一般に直角に配列されている。図8Bの画像の左及び右の入力アンテナ26A及び26Bの1つのセットは、垂直に配列されており、導波路W1及びW2の曲げの後に出力を提供するアンテナ28A及び28Bと対応する。図8Bの画像の上部及び下部の入力アンテナ26C及び26Dの他のセットは、水平に配列されており、導波路W3及びW4の曲げの後に出力を提供するアンテナ28C及び28Dと対応する。光学測定では、入力端の直線偏光板の直後に、半波長板という追加の光学コンポーネントを追加することができる。半波長板を任意の方向に回転させて、ファイバに入る入射光の偏波状態を変化させることができる。この半波長板を使用すると、角度θで回転させたときに偏波が2θ変化するが、光路の結合/位置合わせへの影響はほぼゼロである。例えば、図8Cに示すように、ファイバ内の入射信号の水平偏波状態は、それぞれの偏波に合わせた入力アンテナ26C、26Dを励起し、したがって導波路W3及び導波路W4が点灯するため、伝送が観測される。同様に、偏波を垂直偏波状態に切り替えた場合、ファイバ内の入射信号は、それぞれの偏波に合わせた入力アンテナ26A、26Bを励起し、したがって導波路W1及び導波路W2が点灯するため、伝送が観測される。光がそれ以外の角度で入射すれば、各方向のそれらの固有成分として伝送が得られる。理想的には、入射偏波状態が水平に対して45°のときに、4つの出力アンテナのそれぞれが均等に信号を放射していることが観測されるはずである。図8Fに示す例は、テストデータとこの例の作製により、実験的に異なる角度で焦点を合わせるので、正確な度合いよりも、概念を説明するために主に有用である。
The
図9A~9Dは、光ファイバ先端用の小型共振導波ネットワーク(RGWN)ナノ回路10Eの例としての一組の図である。図9Aは、平面基板上に作製された例示的なRGWNナノ回路のSEM像を示す図である。図9Bは、共振サイズ7.5μmのRGWN構造の測定光学像を示し、波長1570nmで出力ポートO1が高く、出力ポートO2が低いことを示している。図9Cは、図9BのRGWN構造の測定光学像であり、波長1550nmで出力ポートO1が低く、出力ポートO2が高いことを示している。図9Bと図9Cとの比較は、異なる波長におけるRGWNのスイッチング特性を示している。図9Dは、ナノ回路における光ファイバファセットの可能性を示すために、異なるサイズで作製されたRGWNのSEM像を示している。
9A-9D are an example set of diagrams for a miniature resonant waveguide network (RGWN)
図10A~10Fは、超小型RGWNナノ回路の概略図と、結果を示す様々なグラフとを示している。図10Aは、共振器サイズが300nmの超小型RGWNナノ回路10E’の例示的な実施形態に関するSEM像である。図10Bは、図10AのRGWNの測定光学像である。図10Bは、3つの出力ポートへの効率的な結合を示す。図10Cは、共振器サイズが7.5μmのRGWN10E’’の他の例示的な実施形態のSEM像である。図10Dは、図10CのRGWNのポートO1について例示的な測定スペクトル及びシミュレーションスペクトルを示すチャートである。図10Eは、図10CのRGWNのポートO2についての例示的な測定スペクトル及びシミュレーションスペクトルを示すチャートである。図10Fは、図10CのRGWNのポートO4についての例示的な測定スペクトル及びシミュレーションスペクトルを示すチャートである。
Figures 10A-10F show schematics of microminiaturized RGWN nanocircuits and various graphs showing the results. FIG. 10A is an SEM image of an exemplary embodiment of an
少なくとも1つの実施形態において、プラズモニックRGWNナノ回路10E(図9Aに示す)、10E’、10E’’(一般に、10E)は、プラズモン波のコヒーレント干渉によりネットワーク内部に複数の共振が形成される光ファイバ上で使用することが可能である。RGWNを光ファイバ上に統合するには、例えば八木・宇田型アンテナを用いると、光で光コアモードをRGWNに結合させることができる。高開口数(「NA」)の対物レンズを使用して、レーザを約1μmのスポットに集束し、入力アンテナを励起することができる。図10Bに、波長1570nm及び1550nmでのRGWNの測定された遠視野像が示されている。この図は、出力信号の波長依存性が高いことを示している。「オフ/オン」又は「高/低」の出力状態は、異なる波長によって変化することができ、したがって、波長選択性デバイスと共振干渉による波長逆多重化特性とを示している。このRGWNを用いることで、波長選択機能を有する超小型の回路を開発することができる。図10C及び図10Aに示すように、約7.5μmから約300nmの共振サイズを有するRGWNは、良好な伝送でルーチンに作製できると考えられる。このプラズモニックRGWNは、コヒーレントな波動干渉を維持しながら、少なくともサブ100ナノメートルスケールのサイズに到達できると考えられている。図10Cの共振サイズ7.5μmのRGWNの放出スペクトルを測定し、ポートO1、O2及びO4の結果を図10D~10Fに示す。測定したスペクトルのうなりは、複数の伝搬波の干渉による共振の性質を示している。線36の数値シミュレーション結果は、線38の実験結果のスペクトル応答及び振幅にほぼ一致しており、RGWNを用いてナノスケールの共振デバイスを開発できることを示している。
In at least one embodiment, the
ネットワークのサイズ及びグリッドの違いで、本発明は、ブールオン/オフ値の順列及びナノスケールでの光信号の分布に使用できる共振導波ネットワークを提供することができる。プラズモニックRGWNは、通信波長でのオンファイバ小型光論理又は波長多重化/逆多重化デバイスに使用することが可能であり、ファイバ結合ナノ回路の開発のために、異なるオン/オフの組み合わせで異なる波長を異なる伝送ポートにルーティングする。 With differences in network sizes and grids, the present invention can provide resonant waveguide networks that can be used for permutations of Boolean on/off values and distribution of optical signals at the nanoscale. Plasmonic RGWNs can be used for on-fiber compact optical logic or wavelength multiplexing/demultiplexing devices at telecommunications wavelengths, and can be used in different on/off combinations for the development of fiber-coupled nanocircuits. Route wavelengths to different transmission ports.
本発明は、電界効果導電性酸化物材料の強い電気的な調整能力及びENZ非線形性、並びに共振導波ネットワーク及び方向性結合器の概念を組み合わせることによって、プラズモニック構造をさらに改善することができる。その結果、電気的にゲート制御可能で超高速の非線形光学的に調整可能なプラズモニックネットワークが得られ、100を超えるオン/オフブール状態を有する超高速(>100GHz)スイッチング、結合、マルチチャネル論理コンポーネントとして機能させることができる。 The present invention can further improve plasmonic structures by combining the strong electrical tunability and ENZ nonlinearity of field-effect conductive oxide materials with the concept of resonant waveguide networks and directional couplers. . The result is an electrically gateable, ultrafast, nonlinear optically tunable plasmonic network with over 100 on/off Boolean states for ultrafast (>100 GHz) switching, coupling, and multi-channel logic components. can function as
図11A~11Dは、能動的な信号処理のために再構成可能な調整可能なRGWNナノ回路10E’’’の一例、関連する概略図及び光学像を示している。図11Aは、調整可能なRGWNナノ回路の一例の概略図である。図11Bは、対応する透明導電性酸化物(TCO)導波路の概略図である。図11Cは、バイアスを印加した場合のシミュレーション応答を示している。図11Dは、バイアスを印加していない場合のシミュレーション応答であり、超高速のスイッチング能力を示している。少なくとも1つの実施形態は、図11A及び11Bに示されるサブ波長次元アンテナ結合プラズモニックスロット導波路ネットワーク10E’’’へのENZ材料の選択的な統合を含む。インファイバプラズモニックRGWNの共振挙動を能動的に制御するために、本発明は、図11Bに示すように、MOS型構造における導電性酸化物又は窒化物などのENZ材料の電界効果調整を使用することが可能である。例示的なMOSデバイスは、ナノ回路部分を形成するために使用することができる金属層16と、金属層16の上の誘電絶縁体層42と、TCO層とを含む。本明細書では、「TCO」材料は、ITO、AZO、又はTiN、及び透明性及び電子伝導特性を有する類似の材料を含む。誘電絶縁体は、一般に高い誘電値を有し、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化ハフニウム(HfO2)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、又は適切な誘電絶縁特性を有する他の材料が挙げられる。図3Aで説明したように、金属層16を光ファイバ4のファセット8上に堆積し、ミリングして、スロット20、ナノ結合器(アンテナなど)、及びナノ回路用の他の構造を形成することができる。誘電絶縁体層42は、例えば、金属層上の集束イオンビーム(FIB)ミリング/電子ビームリソグラフィー工程の後に、原子層堆積(ALD)又はスパッタリングによって金属層16上に堆積することができる。TCO層44は、誘電絶縁体層42上に堆積することができる。金属層、誘電絶縁体層、及びTCO層は、ワイヤボンディング技術又は特別に設計されたファイバホルダとの物理的接触によって結合させることができる。この結合により、蓄積された電子分布と、制御可能な位相及び振幅のための調整可能な誘電率とに基づいて、光閉じ込めを効率的に制御することができ、したがってネットワークの共振特性を制御することが可能となる。特に、信号波長が電圧調整された導電性酸化物蓄積層のENZ共振に近づくと、伝搬モードの実効屈折率が大きくなり、したがって共振信号の強い変調がもたらされる。
Figures 11A-11D show an example of a tunable RGWN nanocircuit 10E''' reconfigurable for active signal processing and associated schematics and optical images. FIG. 11A is a schematic diagram of an example of a tunable RGWN nanocircuit. FIG. 11B is a schematic diagram of a corresponding transparent conducting oxide (TCO) waveguide. FIG. 11C shows the simulated response with applied bias. FIG. 11D is the simulated response with no bias applied, demonstrating ultra-fast switching capability. At least one embodiment includes selective integration of ENZ materials into the sub-wavelength dimension antenna-coupled plasmonic
電気的変調に関する数値シミュレーション結果が図11C及び図11Dに示されている。画像の上部にある「オン/オフ」状態の2つの出力ポートの信号は、例えば3Vのゲート電圧を印加することで交互に切り替えることができる。TCO ENZの電界効果調整能力は、プラズモニック方向性結合器のスイッチング特性に影響を与える。RGWN又は方向性結合器のゲート容量が小さいTCO電界効果構造のサイズを小さくする(例えば2~3μm)ことにより、かなりの低エネルギー消費(1fJ/bit未満)で変調の動作速度が数十GHzから数百GHzを超える可能性がある。 Numerical simulation results for electrical modulation are shown in FIGS. 11C and 11D. The signals of the two output ports in the "on/off" state at the top of the image can be alternately switched by applying a gate voltage of, for example, 3V. The field effect tuning capability of TCO ENZ influences the switching characteristics of plasmonic directional couplers. By reducing the size of the TCO field-effect structure (eg, 2-3 μm) with the small gate capacitance of the RGWN or directional coupler, the operating speed of the modulation can be increased from tens of GHz to very low energy consumption (less than 1 fJ/bit). It can exceed hundreds of GHz.
TCO材料の異常に大きなENZ非線形性を利用して、プラズモニックナノ回路の複雑な光波及び機能を動的に制御することができる。TCO材料の異常に大きなENZ非線形性は、ENZ波長付近のAZO ENZ薄膜の異常に高い非線形屈折係数(n2)及び非線形吸収係数(β2)を含む。測定された約10-8mm2/Wの係数n2(eff)及び約-10-4cm/Wの係数β2(eff)は、波長1550nmの超高速フェムト秒レーザを用いたZスキャン非線形測定技術により得られる。測定されたENZ薄膜の非線形性は強く(高非線形カルコゲナイドガラスよりも2~3桁高い)、AZO材料の堆積中にALDパラメータによってさらに調整することが可能である。 The unusually large ENZ nonlinearities of TCO materials can be exploited to dynamically control complex lightwaves and functions in plasmonic nanocircuits. The anomalously large ENZ nonlinearities of TCO materials include the anomalously high nonlinear refractive index (n2) and nonlinear absorption coefficient (β2) of AZO ENZ thin films near the ENZ wavelength. The measured coefficient n2(eff) of about 10 −8 mm 2 /W and coefficient β2(eff) of about −10 −4 cm/W were obtained using a Z-scan nonlinear measurement technique using an ultrafast femtosecond laser with a wavelength of 1550 nm. obtained by The measured nonlinearity of ENZ thin films is strong (2-3 orders of magnitude higher than highly nonlinear chalcogenide glasses) and can be further tuned by ALD parameters during deposition of AZO materials.
図12A~12Dは、調整可能な方向性結合器としてのナノ回路の一例及び関連する概略図を示す。図12Aは、非線形光スイッチングのための例示的な調整可能なENZ/プラズモニック方向性結合器ナノ回路10Cの概略図である。図12Bは、図12Aの方向性結合器の例示的な対応するENZ導波路の概略図である。図12Cは、低励起パワーのENZ/プラズモニック方向性結合器のシミュレートされたフィールドプロファイルを示す図である。図12Dは、高励起パワーのENZ/プラズモニック方向性結合器のシミュレートされたフィールドプロファイルを示す図である。ENZの非線形性をプラズモニックナノ構造と組み合わせることで、光ファイバナノ回路の超高速光制御を可能にする。図6Aのようなプラズモニックスロット導波路、及び図7Cのようなプラズモニック方向性結合器の超高速の光学的に調整可能な特性は、図12Bに示すように金属層16の上にTCO層44を堆積することによって実証することができる。例えば、フェムト秒レーザ動作波長(例えば1550nm)でENZ波長を示す20~30nm厚のTCO層44を、ALD/スパッタリング技術によってスロットプラズモニック導波路の金属層16の上に堆積させることができる。図3Aで説明した酸化シリコン層24は、TCO層44の上に堆積することができる。プラズモニック導波路の強い光閉じ込め及びENZの高い光非線形性により、伝搬するプラズモニック波の位相及び振幅は、超高速フェムト秒パルスによって変更することができる。Zスキャン技術で測定した非線形性を用いたAZO ENZプラズモニックスロット導波路の光伝搬の変化に関するシミュレーションが示されている。ENZ波長付近で大きな非線形光学により誘起された屈折率の変化が得られ、ENZ波長でモードの実効屈折率が1.515+0.308i(低パワー)から1.569+0.136i(高パワー)へ増加する。この変化は、モードの伝搬損失を10.33dB/μm(低パワー)から4.57dB/μm(高パワー)に低減させることができ、図12Cと12Dに示すように、場閉じ込めが変化する。ENZの非線形効果の増強は、図7Aに示すようなプラズモニック結合器、及び図9に示すようなRGWNで使用することができる。高分散光方向性結合器は、ENZ材料の非線形応答がシステムのパワー依存性に大きな影響を及ぼすプラットフォームを提供する。2つの出力ポートからの出力放射が入射レーザパワーに強く依存する場合、強い非線形スイッチング効果が発生する可能性がある。
Figures 12A-12D show an example of a nanocircuit as a tunable directional coupler and an associated schematic. FIG. 12A is a schematic diagram of an exemplary tunable ENZ/plasmonic
RGWNにおける伝搬プラズモンモードの空間的・時間的変化の電気的・光学的コヒーレント制御の組み合わせは、フェムト秒レーザパルスを発して結合器の複数の固有モードを励起するとともに、固有状態の分散をさらに制御するために電気的ゲーティングを提供することにより研究することができる。一般に、本発明は、活性伝導性酸化物材料とプラズモニック構造とを統合することができ、新規なナノデバイスの応用及び超低消費電力の次世代超小型高速集積型ナノ回路のための効率的かつ能動的な光学コンポーネントを可能にする。 A combination of electrical and optical coherent control of the spatial and temporal variation of propagating plasmon modes in RGWNs emits femtosecond laser pulses to excite multiple eigenmodes in the coupler, while further controlling eigenstate dispersion. can be studied by providing electrical gating to In general, the present invention is capable of integrating active conductive oxide materials with plasmonic structures to provide efficient novel nanodevice applications and next-generation ultra-compact, fast-integrated nanocircuits with ultra-low power consumption. and enable active optical components.
光ファイバナノ回路の効率的な結合及び機能により、超高密度プラズモニックナノ回路に基づく様々な高レベルの応用が可能になる。例えば、非限定的な例として、光ファイバの入出力による信号処理、インファイバ量子源の量子放出の増強、超高感度の光/分子センシングなどを挙げることができる。 The efficient coupling and functioning of fiber optic nanocircuits enables a variety of high-level applications based on ultra-high density plasmonic nanocircuits. For example, non-limiting examples include fiber optic input/output signal processing, quantum emission enhancement of in-fiber quantum sources, ultra-sensitive optical/molecular sensing, and the like.
図13A~13Gは、集積光通信用の光ファイバENZナノ回路の例示的な構造の概略図である。光ファイバ先端ナノ回路をナノスケールの信号処理及び操作のための超小型集積回路として使用する概念を実証するために、以下の3つの実施形態を示すことができる。 13A-13G are schematic diagrams of exemplary structures of fiber optic ENZ nanocircuits for integrated optical communications. To demonstrate the concept of using fiber optic tipped nanocircuits as microintegrated circuits for nanoscale signal processing and manipulation, the following three embodiments can be presented.
図13Aは、シングルモードコア6を有する光ファイバ、光ファイバ先端上のナノ回路10、及び出力ポート14を有する出力マルチコア光ファイバ12を有する、調整可能な光ファイバENZナノ回路デバイス2’の例示的な実施形態を示す概略図である。本実施形態は、入力が調整可能なナノ回路への入力のためのシングルモードコア6からのものである、光ファイバ先端上の調整可能なナノ回路10による電子的又は非線形光学的な動的制御を有する。図13D及び図13Eに示すように、マルチコア光ファイバ12は、ナノ回路10と密接に結合して、マルチコア光ファイバからの複数の出力14のためにナノ回路からの入力を受け取る。図13Fにおける構造及び図13Gの拡大図に示すように、入射の垂直/水平偏波に応じて、構造の特定の出力ポートを選択的に励起することができ、それによって、コヒーレント信号及び出力選択を操作する他の手段を提供することができる。
FIG. 13A is an exemplary tunable fiber optic
図13Bは、シングルモードコア6を有する調整可能な光ファイバENZナノ回路デバイス2’’の他の例示的な実施形態を示す概略図である。この実施形態は、入力が調整可能なナノ回路への入力のためのシングルモードコア6からのものである、光ファイバ先端上の調整可能なナノ回路10による電子的又は非線形光学的な動的制御を有する。マルチコア光ファイバ10は、ナノ回路と密接に結合して、マルチコア光ファイバ12とは1つ以上の異なる特性を有する複数の出力14のためにナノ回路から入力を受け取る。このような実施形態は、光スイッチング、波長逆多重化、共振干渉、又はルーティング/ブール論理、及び他の用途に有用であることが想定される。
13B is a schematic diagram illustrating another exemplary embodiment of a tunable optical fiber ENZ nanocircuit device 2'' having a
図13Cは、ナノ回路に複数の入力を提供するためのマルチコアファイバ6’を有する例示的な調整可能な光ファイバENZナノ回路デバイス2’’’を示す概略図である。マルチコアファイバ6’を通った複数の入力光は、ナノ回路10’(RGWN又は方向性結合器など)に結合され、線形又は非線形相互作用を介してコヒーレントに干渉し、伝搬光の分散及び位相/振幅の変調の高度な制御をもたらすことが可能である。ナノ回路は、コア6’から複数の入射光を受けるように構成することができる。時間分解ポンププローブ装置により、マルチコアファイバを通して非線形動態をプローブすることができる。ファイバナノ回路の電気的制御のために、高速エレクトロニクス及び検出器を使用して、数十GHzと高い動作速度で出力信号を監視することができる。本実施形態では、入力がマルチコアファイバからのものである、光ファイバ先端の調整可能なナノ回路による電子的又は非線形光学的な動的制御を有する。出力マルチコア光ファイバ12は、ナノ回路と密接に結合して、異なる性質の複数の出力のためにナノ回路から入力を受け取る。光は、ナノ回路の複数の出力ポートから放出され、例えば、分光器又は検出器による光収集のために出力マルチコア光ファイバ12に直接結合される。このようなナノ回路機能を実現するために、ENZ材料を用いて電気的及び非線形光学的な調整能力を実現することができる。複数の出力ポートの出力信号は、本明細書で言及するように、バイアスを印加することによって、又は超高速フェムト秒パルスを発することによって、制御することができる。同様の検出方式は、図13A及び図13Bに示すように、出力マルチコア光ファイバを通して光を収集するために使用することができる。偏波依存性結合を有するデバイス2も、ナノ回路を制御する手段として使用することができる。
FIG. 13C is a schematic diagram showing an exemplary tunable fiber optic ENZ nanocircuit device 2''' having a multi-core fiber 6' for providing multiple inputs to the nanocircuit. Multiple input lights through multicore fiber 6' are coupled into nanocircuit 10' (such as an RGWN or a directional coupler) and coherently interfere via linear or nonlinear interactions, resulting in dispersion and phase/ It is possible to provide a high degree of control over amplitude modulation. The nanocircuit can be configured to receive multiple incident lights from the core 6'. A time-resolved pump-probe device allows nonlinear dynamics to be probed through a multicore fiber. For the electrical control of fiber nanocircuits, high-speed electronics and detectors can be used to monitor output signals at operating speeds as high as tens of GHz. In this embodiment, the input is from a multicore fiber, with electronic or nonlinear optical dynamic control by a tunable nanocircuit at the tip of the optical fiber. The output multicore
分子/材料の発光及び非線形光学プロセスは、電磁場強度に強く依存し、プラズモニックモードの高度な閉じ込めにより、プラズモニック構造によって大幅に向上され得ることが知られている。最近の研究では、オンチッププラズモニックスロット導波路を用いることにより、分子のラマン放出が増強されることが示されている。この放射の増強は、電界及びパーセル因子の増強、光及び物質の相互作用量の増加、並びにラマン信号の収集効率の増加に起因する。また、近年、プラズモニックパーセル効果、並びに量子エミッタとENZ材料との結合に関する研究がいくつか報告されている。本発明は、ENZ/プラズモニック材料の放射増強能力を高めるために、現在の理解を超えて、ENZナノ層の場閉じ込め及び光ファイバ先端ナノ回路上のプラズモニックスロット導波路の長い相互作用長をさらに利用するものである。 It is known that the emission and nonlinear optical processes of molecules/materials strongly depend on the electromagnetic field strength and can be greatly enhanced by plasmonic structures due to the high degree of confinement of plasmonic modes. Recent studies have shown that the use of on-chip plasmonic slot waveguides enhances molecular Raman emission. This emission enhancement is due to an enhancement of the electric field and Purcell factor, an increase in the amount of light and matter interaction, and an increase in Raman signal collection efficiency. Also, in recent years, some studies have been reported on the plasmonic Purcell effect and the coupling of quantum emitters and ENZ materials. The present invention goes beyond current understanding to combine the field confinement of ENZ nanolayers and the long interaction length of plasmonic slot waveguides on optical fiber tip nanocircuits to enhance the radiation enhancement capabilities of ENZ/plasmonic materials. It is used further.
図14A~14Cは、ラマン及び光センシングを増強するための光ファイバプラズモニック導波路センサナノ回路10Fの一例を示す図である。このようなナノ回路は、分子とのより良い相互作用によって本明細書のプラズモニック導波路の統合を支援し、上記のナノ回路のうちの1つ以上から入力を受け取ることができる。図14Aは、光ファイバプラズモニック導波路センサの概略図である。図14Bは、図14Aのナノ構造の拡大図である。図14Cは、長い相互作用長を有する光ファイバに作製されたセンサナノ回路10Fの一例を示す図である。このセンサは、上述したように、金属層16を堆積させ、ミリングすることで、導波路を形成することができる。しかしながら、このナノ回路では、導波路は、記述された他の導波路のような貫通経路ではなく、金属層から出る前に、「デッドエンド」として終了する。このような端部46は、導波路30内のエネルギーを反射する。本発明は、図14A及び図14Bに示す、光ファイバ先端上のTiN/TCO ENZコーティングプラズモニックスロット導波路を使用して、ENZ領域におけるエミッタからの増強された自発/ラマン放出を使用することが可能である。ALD技術を使用してENZ薄膜を光ファイバのファセット上のプラズモニックスロット導波路上に堆積させることができ、分子/エミッタを光ファイバファセットに積層させることができる。光50は、コア6を通して結合され、プラズモニックスロット導波路30内のプラズモニックモードを励起することができる。伝搬するプラズモニック光は、スロット20内の分子/エミッタと相互作用することができ、放出された光52は、コアに結合して戻ることができる。ラマン信号/スペクトルは、ビームスプリッタを使用してファイバの反射で収集することができる。伝搬損失のバランスを取りながら十分な光及び物質の相互作用長を確保するために、外接直径が40μm未満の図14Cに示すような螺旋状の導波路などの適度な長さを有する新規構造を、より強い光反射のために導波路の端部46を終端とするようにファイバコアファセット上に作製することが可能である。ENZ層を有するナノ回路と有しないナノ回路の放出の測定値を比較し、ENZによる放出の増強を明らかにする。
14A-14C illustrate an example of a fiber optic plasmonic
放出の増強は、ENZ表面付近の高い局所状態密度から生じ、その増強はENZ共振に効率的に結合されるエミッタの双極子配向に大きく依存する。プラズモニックスロット導波路における同様の結合方式は、ENZプラズモニックナノ回路を用いたエミッタ(量子ドット、アップコンバージョンナノ結晶、レーザ材料など)のフォトルミネセンス及びシミュレート/自然放出の増強に用いることができる。光ファイバナノ回路における量子放出の増強は、オンファイバ量子源及びインファイバラマンセンシングの高度な応用につながる可能性がある。 Emission enhancement arises from a high local density of states near the ENZ surface and is highly dependent on the dipole orientation of the emitter, which is efficiently coupled to the ENZ resonance. Similar coupling schemes in plasmonic slot waveguides can be used for enhanced photoluminescence and simulated/spontaneous emission of emitters (quantum dots, upconversion nanocrystals, laser materials, etc.) using ENZ plasmonic nanocircuits. can. Quantum emission enhancement in optical fiber nanocircuits may lead to advanced applications of on-fiber quantum sources and in-fiber Raman sensing.
上述した発明の1つ以上の態様を利用した他の実施形態及びさらなる実施形態は、特許請求の範囲に定義された開示された発明から逸脱することなく考案することができる。例えば、他の実施形態は、他の形状及びタイプの光ファイバ、光ファイバ上又は光ファイバ内に膜を形成するための他のENZ材料、他のMOS構造及び材料、他の厚さ及び周波数、並びに特許請求の範囲内で上記に具体的に開示されたもの以外の他の変形を含むことができる。 Other and further embodiments utilizing one or more aspects of the above-described invention can be devised without departing from the disclosed invention as defined in the claims. For example, other embodiments include other shapes and types of optical fibers, other ENZ materials for forming films on or within optical fibers, other MOS structures and materials, other thicknesses and frequencies, And other variations than those specifically disclosed above may be included within the scope of the claims.
本発明は、好ましい実施形態及び他の実施形態との関連で説明されており、本発明のすべての実施形態が説明されているわけではない。記載された実施形態に対する明らかな修正及び変更は、当業者であれば利用可能である。開示された実施形態及び開示されていない実施形態は、出願人によって考案された発明の範囲又は適用性を制限又は限定するためのものではなく、むしろ、特許法に準拠して、出願人は、以下の特許請求の範囲又は均等な範囲内にあるすべてのそのような修正及び改良を完全に保護することを意図している。 The invention has been described in connection with preferred and other embodiments, and not all embodiments of the invention have been described. Obvious modifications and alterations to the described embodiments are available to those skilled in the art. The disclosed and undisclosed embodiments are not intended to limit or limit the scope or applicability of any invention devised by applicant; rather, pursuant to patent law, applicant: It is intended to fully protect all such modifications and improvements that come within the scope of the following claims or the equivalents.
関連出願への相互参照
本出願は、2020年5月29日に提出された、名称が「調整可能なナノフォトニック導波路システム及び方法」である米国仮特許出願第63/032,050号の権利を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCES TO RELATED APPLICATIONS This application is based on U.S. Provisional Patent Application Serial No. 63/032,050, entitled "Tunable Nanophotonic Waveguide Systems and Methods," filed May 29, 2020. claimed, the contents of which are incorporated herein by reference.
Claims (20)
前記ファセット上に一体的に形成されたナノ回路と
を備え、
前記ナノ回路は、
前記第1の光ファイバからの光エネルギーを前記ナノ回路におけるプラズモニックエネルギーと直接結合するように構成されたナノ結合器と、
前記ナノ回路に形成され、前記ナノ結合器に結合され、前記ナノ回路におけるプラズモニックエネルギーを伝導するように構成された少なくとも1つの導波路とを備える、ナノ回路デバイス。 a first optical fiber faceted;
nanocircuits integrally formed on the facets;
The nanocircuit is
a nanocoupler configured to directly couple optical energy from the first optical fiber with plasmonic energy in the nanocircuit;
at least one waveguide formed in said nanocircuit, coupled to said nanocoupler and configured to conduct plasmonic energy in said nanocircuit.
入力ナノ結合器及び出力ナノ結合器を有する第1の導波路と、
入力ナノ結合器及び出力ナノ結合器を有する第2の導波路と
を備え、
前記第2の導波路は、前記第1及び第2の導波路の間でエバネッセント場を結合するように構成された前記第1の導波路の長さに平行に近接して位置合わせされた長さを有する、
請求項1に記載のデバイス。 The nanocircuit comprises a directional coupler, the directional coupler comprising:
a first waveguide having an input nanocoupler and an output nanocoupler;
a second waveguide having an input nanocoupler and an output nanocoupler;
The second waveguide has a length aligned closely parallel to the length of the first waveguide configured to couple an evanescent field between the first and second waveguides. have
A device according to claim 1 .
出力ナノ結合器、及び第1の角度で第1の入射偏光で配向される入力ナノ結合器を有する第1の導波路と、
出力ナノ結合器、及び第2の角度で第2の入射偏光で配向される入力ナノ結合器を有する第2の導波路と
を備え、
前記第1の導波路及び前記第2の導波路は、入射偏波の偏波角に応じて異なるエネルギーレベルを伝導する、請求項1に記載のデバイス。 The nanocircuit comprises a polarization splitter, the polarization splitter comprising:
a first waveguide having an output nanocoupler and an input nanocoupler oriented with a first incident polarization at a first angle;
a second waveguide having an output nanocoupler and an input nanocoupler oriented with a second incident polarization at a second angle;
2. The device of claim 1, wherein the first waveguide and the second waveguide conduct different energy levels depending on the polarization angle of incident polarization.
前記共振導波ネットワークは、複数の導波路を備え、前記複数の導波路のそれぞれは、前記導波路の各端部にナノ結合器を有し、
前記ナノ結合器の少なくとも1つは、光ファイバから光エネルギーを受ける入力ナノ結合器として構成され、他の複数のナノ結合器は、出力ナノ結合器として構成され、
前記導波路は、前記導波路を通るプラズモン波のコヒーレント干渉により複数の共振を生じさせる、請求項1に記載のデバイス。 the nanocircuit comprises a resonant waveguide network;
said resonant waveguide network comprising a plurality of waveguides, each of said plurality of waveguides having a nanocoupler at each end of said waveguide;
at least one of said nanocouplers configured as an input nanocoupler for receiving optical energy from an optical fiber and a plurality of other nanocouplers configured as output nanocouplers;
2. The device of claim 1, wherein the waveguide produces multiple resonances due to coherent interference of plasmon waves passing through the waveguide.
前記少なくとも1つの導波路は、入力ナノ結合器と端部とを備え、前記端部は導波路におけるプラズモニックエネルギーを反射し、反射されたプラズモニックエネルギーの少なくとも一部は、前記光ファイバに戻る光エネルギーに変換される、請求項1に記載のデバイス。 the nanocircuit comprises a plasmonic waveguide sensor;
The at least one waveguide comprises an input nanocoupler and an end, the end reflecting plasmonic energy in the waveguide and at least a portion of the reflected plasmonic energy returning to the optical fiber. 3. The device of claim 1, wherein the device is converted to light energy.
前記ファセット上に金属層を堆積させることと、
導波路を形成するために、前記ファセット上の金属層にスロットをミリングすることと、
前記ファセット上の前記金属層にナノ結合器をミリングし、前記光ファイバからの光エネルギーを前記導波路におけるプラズモニックエネルギーと直接結合させるように構成することと
を含む、ナノ回路デバイスの製造方法。 providing a faceted optical fiber;
depositing a metal layer on the facet;
milling slots in a metal layer on the facet to form a waveguide;
milling a nanocoupler into the metal layer on the facet and configured to directly couple optical energy from the optical fiber with plasmonic energy in the waveguide.
前記誘電体層上に透明導電性酸化物層を堆積させ、印加されたバイアスにより、前記ナノ回路の位相及び振幅を変調させるために、前記誘電体層及び前記透明導電性酸化物層の共振を変化させることと
をさらに含む、請求項17に記載の方法。 depositing a dielectric layer on the metal layer;
depositing a transparent conducting oxide layer on the dielectric layer; applying a bias to cause resonance of the dielectric layer and the transparent conducting oxide layer to modulate the phase and amplitude of the nanocircuit; 18. The method of claim 17, further comprising: varying.
18. The method of claim 17, wherein milling comprises using at least one of focused ion beam machining and electron beam lithography.
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